작성자: Michele Lorusso 및 Soudeh Tavousi
전자기 간섭(EMI)은 드론 추진 시스템을 테스트할 때 흔히 발생하며 종종 골칫거리가 되는 문제입니다. EMI와 관련된 증상은 테스트 중단을 초래할 수 있으며, 특히 모터, ESC, 측정 장비가 동시에 작동하는 고출력 테스트 환경에서 더욱 두드러집니다.
실제로 EMI의 원인을 단일 소스에서 찾아내는 것은 어려울 수 있습니다. 당사의 다양한 고객 테스트 시스템 경험에 따르면, EMI 관련 문제는 신중한 레이아웃, 배선 및 접지 관행을 통해 해결되는 경우가 많습니다. 수동적인 조치만으로 충분하지 않은 경우에는 능동적인 완화 기술을 사용하여 민감한 전자 장비를 더욱 효과적으로 분리할 수 있습니다.
이 글에서는 드론 테스트에서 흔히 발생하는 EMI의 원인과 이를 줄이는 실질적인 방법을 설명합니다.
그림 1: Flight Stand 15를 사용한 드론 추진 시스템 테스트 구성
목차
- 드론 테스트에서 발생하는 EMI 원인
- 추진 시스템 구성 요소
- 테스트 장비
- 테스트 환경
- EMI를 줄이는 방법
- EMI 측정 방법
- EMI 감소 작업 절차
- 수동적 EMI 감소 기술:
- 배선 조정
- 그라운드 루프 및 접지
- 기계적 EMI 소스 및 분리
- 페라이트 비드 및 EMI 필터
- 연결
- 능동적 EMI 감소 기술:
- 그라운드 분리
- 예시: 옵토커플러
1. 드론 테스트에서 발생하는 EMI 원인
EMI는 일관된 고장보다는 간헐적인 연결 끊김으로 나타나는 경우가 많아 근본 원인을 파악하기 어렵습니다.
EMI는 기계적 소스와 전기적 소스 모두에서 발생할 수 있습니다. 기계적 소스에는 점화 스타터나 릴레이와 같은 구성 요소에서 발생하는 스파크 또는 간헐적인 접촉이 포함되며, 전기적 소스에는 고속 스위칭 전자 장치, 전력 변환기 및 디지털 제어 신호가 포함됩니다. 소스의 특성을 이해하면 완화 조치를 어디에 집중해야 할지 파악하는 데 도움이 됩니다.
다음은 드론 테스트에서 흔히 발생하는 EMI의 원인입니다.
추진 시스템 구성 요소
드론 테스트 환경에서 EMI는 주로 높은 전력을 소비하거나 빠르게 스위칭하는 구성 요소에 의해 발생합니다. 모터와 ESC는 특히 높은 전류 과도 현상과 PWM 스위칭으로 인해 주요한 원인이 됩니다. 고전압 배터리 라인에서도 노이즈가 방출될 수 있으며, 긴 케이블은 안테나 역할을 할 수 있습니다.
그림 2: Flight Stand 50에 장착된 드론 추진 시스템
추진 시스템 테스트 구성을 위해 새 구성 요소를 구매할 때는 사용자 설명서를 주의 깊게 읽고 EMI 감소에 관한 특정 지침이 있는지 확인하십시오. 당사는 시스템에 추가적인 EMI를 유발하는 것으로 보이는 특정 모델의 ESC 및 냉각 펌프를 접한 적이 있으며, 구성 요소 제조업체는 설명서와 데이터 시트에 추가적인 EMI 완화 조치를 제공하는 경우가 많으므로 이러한 문서를 확인하여 팁을 얻으십시오.
테스트 장비
측정 장치 및 외부 전원 공급 장치와 같은 테스트 장비는 시스템을 더욱 복잡하게 만듭니다. 이러한 구성 요소는 더 많은 배선과 추가적인 접지 경로를 도입하며, 노이즈가 민감한 전자 장비에 유입될 수 있는 기회를 더 많이 제공합니다.
다음은 Flight Stand 테스트 스탠드, 모터, ESC, 배터리, 전기 측정 장치(EMU), Sync Hub가 올바르게 배치된 드론 테스트 구성의 다이어그램입니다.
그림 3: 올바르게 구성된 추진 시스템 테스트 구성
시스템 구성 요소를 이와 같이 연결하는 것 외에도, 가능한 경우 장치를 컴퓨터에 직접 연결하고 USB 허브 사용을 피할 것을 권장합니다.
테스트 환경
환경 조건은 미묘하지만 의미 있는 방식으로 EMI 동작에 영향을 미칠 수 있습니다.
온도는 반도체 스위칭 동작에 영향을 미칩니다. 일반적으로 장치가 더 뜨거우면 스위칭 속도가 약간 느려지고, 더 차가우면 고주파 방출을 증가시키는 더 날카로운 엣지를 생성하며, 발진기와 클록은 온도에 따라 편차가 발생할 수 있습니다.
습도는 방출보다는 주로 표면 전도성과 결합에 영향을 미칩니다. 습도가 낮으면 정전기 전하 축적과 ESD 위험이 증가하며, 습도가 높으면 케이블과 PCB의 표면 누설이 증가하고 방사 필드가 약간 약화될 수 있습니다.
온도와 습도는 함께 공기의 유전 특성을 변화시켜 전자기 전파와 안테나 결합에 약간의 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 효과는 일반적으로 작고 종종 1~3dB 미만이지만, EMI 문제가 반복 가능한 고장이 아니라 간헐적인 연결 끊김으로 나타나게 하는 변동성에 기여할 수 있습니다.
2. EMI를 줄이는 방법
EMI 측정 방법
추진 시스템 테스트 구성의 EMI는 일반적으로 방출 소스와 결합 경로를 식별하기 위해 근접장 측정 및 주파수 영역 분석을 사용하여 평가합니다.
초기 EMI 평가에 권장되는 장비에는 그라운드 루프 확인을 위한 오실로스코프와 더 자세한 주파수 분석을 위한 스펙트럼 분석기가 포함됩니다.
그림 4: 오실로스코프(왼쪽) 및 스펙트럼 분석기(오른쪽)
더 고급 EMI 분석을 위해 Tyto의 당사 팀은 전력 및 신호 라인의 스위칭 동작과 스펙트럼 방출을 상관시키는 차동 프로브가 장착된 오실로스코프를 포함하여 자기 근접장 프로브, 인라인 저잡음 증폭기, 입력 보호 및 선형성을 위한 고정 감쇠기 등 추가 장비를 사용했습니다. 기본적인 문제 해결에는 이 추가 장비가 필요하지 않습니다.
그림 5: 고전압 차동 프로브. 일부 경우에는 유용하지만 기본적인 EMI 문제 해결에는 필요하지 않음
장비의 노이즈 플로어를 설정하려면 모든 장비의 전원을 끄고, 샤시에서 일정한 거리에 자기장 프로브를 유지하고, 고정된 임피던스 경로, 고정된 대역폭 설정 및 고정된 증폭기 구성을 사용하는 고정된 기하학적 구조로 근접장 스캔을 수행한 다음, 결과로 나온 베이스라인 레벨을 비교를 위한 로컬 노이즈 플로어로 취급하십시오.
자기 근접장 프로브를 사용하여 모터, ESC, 케이블 및 샤시 표면을 스캔하십시오. 방출은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 관찰되며 로컬 노이즈 플로어에 비해 해석되고, 높은 주파수 빈(플로어보다 약 20dB 이상인 모든 것)은 추가 조사 및 완화를 위해 표시됩니다.
EMI 감소 작업 절차
EMI 관련 문제가 발생하면 수동적 EMI 감소 기술부터 시작하는 것이 권장되는 접근 방식입니다. 이러한 방법은 새로운 전자 장비를 추가하기보다는 배선 레이아웃, 접지 전략 및 물리적 분리에 중점을 둡니다. 자세한 내용은 다음 섹션에서 제공됩니다.
실험실 공간의 환경 조건을 평가하는 것도 주변 온도 또는 습도가 EMI 전파에 기여할 수 있는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
추가적인 능동적 EMI 감소 기술에는 이 글의 4섹션에서 예시와 함께 설명된 그라운드 분리가 포함될 수 있습니다.
수동적 기술은 드론 테스트의 연결 끊김을 해결하는 데 종종 충분하며, 능동적인 완화 방법으로 넘어가기 전에 완전히 구현되어야 합니다.
3. 수동적 EMI 감소 기술
배선 조정
EMI를 줄이는 가장 효과적인 방법 중 하나는 고전력 배선을 데이터 및 신호 배선과 분리하는 것입니다. 동일한 유형의 전선은 함께 묶어야 합니다. 데이터 전선은 함께 감거나 꼬아야 하며, 고전력 전선도 함께 감거나 꼬아야 합니다.
이렇게 하면 루프 면적이 줄어들고 방사 노이즈가 제한됩니다. 또한 노이즈 유입을 최소화하기 위해 FMU에서 ESC까지의 PWM 라인을 가능한 한 짧게 하는 것이 권장됩니다.
그라운드 루프 및 접지
그라운드 루프는 추진 시스템 테스트에서 흔히 발생하는 EMI 원인입니다.
그라운드 루프는 공통 접지를 포함한 여러 전도성 귀환 경로를 공유하는 상호 연결된 장치들이 서로 다른 전위차를 보일 때 발생합니다. 그 차이는 단지 1볼트의 일부일 수 있지만, 시스템에 간섭을 유발하기에는 충분합니다.
이러한 루프는 노이즈 전류가 순환하고 민감한 전자 장비에 결합되도록 합니다. 배선은 루프 경로가 있는지 검사하고 가능한 한 매끄러운 S자 경로로 재배치해야 합니다.
Flight Stand 구성에서 그라운드 루프를 피하려면 Sync Hub와 배터리 그라운드를 사용 가능한 가장 낮은 임피던스 경로, 일반적으로 가장 짧고 적절한 게이지의 전선을 사용하여 서로 연결해야 합니다.
데이지 체인은 무슨 일이 있어도 피해야 합니다. 그라운드 전위를 줄이기 위해 스타 패턴이 권장됩니다.
그림 6: 올바른 스타 패턴 배선(왼쪽) 및 부적절한 데이지 체인(오른쪽)
모든 전도성 구성 요소를 올바르게 접지하는 것이 중요합니다. 테스트 스탠드 자체는 가능한 가장 짧고 낮은 임피던스 연결을 사용하여 배터리 및 Sync Hub와 동일한 기준에 접지되어야 합니다.
모든 주요 구성 요소가 공통 그라운드 기준을 공유하도록 보장하면 전위차를 줄이고 신호 경로를 통해 원치 않는 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있습니다.
그림 7: 전류가 접지로 흐르는 직접적인 경로를 제공하는 접지 케이블(출처: Electrotechnik)
기계적 EMI 소스 및 분리
EMI는 점화 스타터, 릴레이 또는 냉각 펌프와 같은 기계적 또는 전기기계적 소스에서도 발생할 수 있습니다. 이러한 장치는 스파크, 간헐적인 접촉 또는 급격한 전류 변화로 인해 상당한 EMI와 ESD를 생성할 수 있으며, 추진 시스템 테스트 구성에서 종종 간과됩니다.
점화 시스템 또는 냉각 펌프와 같은 고EMI 장치의 경우, 민감한 전자 장치와는 다른 커넥터 또는 차단기에서 전원을 공급하는 것이 권장됩니다. 핵심 요구 사항은 이러한 장치가 Flight Stand, ESC 또는 측정 전자 장치와 그라운드 경로를 공유하지 않아야 한다는 것이며, 이는 노이즈와 방전 전류가 시스템에 결합되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.
물리적 분리 또한 효과적인 완화 기술입니다. 고EMI 장치는 Flight Stand에서 가능한 한 멀리 배치해야 하며, 펌프와 같은 구성 요소의 경우 권장되는 최소 거리는 약 2미터입니다.
마지막으로, 알려진 고EMI 장치에는 강력하고 전용된 접지 그라운드가 제공되어야 합니다. 이는 ESD 및 노이즈 전류에 대한 우선적인 방전 경로를 생성하여, 민감한 전자 장치를 통해 흐르는 대신 직접 접지로 흐르도록 보장합니다.
페라이트 비드 및 EMI 필터
페라이트 비드는 데이터 및 신호 라인의 고주파 노이즈를 억제하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 케이블에 페라이트 비드를 설치하면 일반적인 신호 동작에 영향을 주지 않고 EMI를 감쇠할 수 있습니다.
그림 8: USB 전선 위의 페라이트 비드
EMI 필터는 정상적인 전력 또는 신호 동작을 허용하면서 간섭을 감쇠하여 원치 않는 고주파 노이즈를 줄입니다. 노이즈가 시스템으로 들어오거나 나가는 것을 방지하기 위해 일반적으로 전원 입력 또는 신호 인터페이스에 설치됩니다.
페라이트 비드와 EMI 필터 모두 가장 효과적인 주파수 범위가 있습니다. 스펙트럼 분석기를 사용하여 시스템의 문제 주파수를 식별한 다음 적절한 비드 또는 필터를 선택할 수 있습니다. 예를 들어, USB 케이블에 흔히 사용되는 페라이트 비드는 일반적으로 수십에서 수백MHz 범위, 종종 100MHz 근처에서 가장 효과적입니다.
이러한 기술은 배선 레이아웃 변경만으로는 문제가 완전히 해결되지 않을 때 특히 유용하며, 전체 시스템 설계를 수정하지 않고도 빠르게 구현할 수 있습니다.
연결
EMI 관련 연결 끊김이 지속되는 경우, 노이즈 유입 지점으로 작용할 수 있는 비필수적인 측정 연결을 일시적으로 분리하는 것이 도움이 될 수 있습니다.
예를 들어, Flight Stand EMU의 고전압 감지 포트를 분리하면 해당 연결이 문제에 기여하는지 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.
민감한 전자 장치로 들어가는 전기 경로의 수를 줄이면 테스트 중 시스템 견고성이 향상되는 경우가 많습니다.
4. 능동적 EMI 감소 기술
수동적 EMI 감소 기술이 문제를 해결하지 못하는 경우 능동적인 완화 방법을 사용할 수 있습니다. 이러한 기술은 단순히 결합을 줄이는 것이 아니라 노이즈 전파 경로를 직접 차단합니다.
그라운드 분리
효과적인 능동적 접근 방식 중 하나는 ESC와 FMU 사이의 그라운드를 분리하는 것입니다. 직접적인 그라운드 연결을 끊음으로써 고전력 전자 장치에서 생성된 노이즈가 민감한 아날로그 및 디지털 회로로 전파되는 것을 방지합니다.
그라운드 분리는 신중한 배선 및 접지 관행에도 불구하고 ADC 연결 끊김 또는 통신 오류가 지속될 때 특히 유용합니다.
아날로그 및 디지털 절연기는 모두 그라운드 분리에 역할을 할 수 있습니다. 전원 공급 장치 및 전력 전달 네트워크에는 아날로그 절연기, ESC 및 기타 신호 전달 장비에는 디지털 절연기가 사용됩니다.
예시: 옵토커플러
옵토커플러 또는 광절연기는 신호 무결성을 유지하면서 그라운드 분리를 구현하는 데 사용할 수 있는 디지털 절연기의 한 예입니다. 이 구성에서 제어 신호는 전기적으로 전달되는 대신 광학적으로 전송되어 전력 및 제어 도메인 간에 노이즈가 교차하는 것을 방지합니다.
그림 9: SparkFun 광절연기
광절연기는 Flight Stand 테스트 스탠드의 ESC와 Force Measurement Unit(FMU) 사이의 PWM 또는 제어 라인을 분리하는 데 성공적으로 사용되어, 까다로운 테스트 환경에서 EMI 관련 연결 끊김을 크게 줄였습니다.
다음은 예시로서 SparkFun 광절연기의 배선 다이어그램입니다.
그림 10: SparkFun 광절연기 배선 다이어그램
결론
전자기 간섭은 고출력 모터, ESC 및 스위칭 전자 장치가 민감한 측정 및 제어 시스템과 함께 작동하는 드론 추진 시스템 테스트에서 피할 수 없는 고려 사항입니다. EMI 문제는 반복 가능한 고장이 아니라 간헐적인 연결 끊김으로 나타나는 경우가 많아 EMI 측정, 신중한 배선 레이아웃 및 적절한 접지를 포함하는 체계적인 접근 방식 없이는 진단하기 어렵습니다.
추진 시스템 테스트의 대부분 EMI 문제는 전력 및 데이터 배선을 분리하고, 그라운드 루프를 제거하며, 접지 경로를 개선하고, 중요한 인터페이스에 페라이트 비드 또는 EMI 필터를 적용하는 것과 같은 수동적 EMI 감소 기술을 사용하여 완화할 수 있습니다.
수동적인 방법이 불충분할 때, 옵토절연기를 사용한 그라운드 분리와 같은 능동적 EMI 감소 기술은 민감한 전자 장비를 더욱 보호하여 테스트 신뢰성을 향상하고 일관되고 반복 가능한 드론 테스트 결과를 보장할 수 있습니다.